Что такое линейный стабилизатор напряжения?
Электронные системы обычно получают напряжение питания, превышающее напряжение, которое требуется для схемы системы. Например, батарея 9 В может использоваться для питания усилителя, которому требуется напряжение в диапазоне от 0 до 5 В, или две последовательно соединенные батареи по 1,5 В могут обеспечивать питание для цепи, которая включает в себя цифровую логику с уровнями 1,8 В. В таких случаях нам необходимо отрегулировать подаваемое питания, используя компонент, который принимает более высокое напряжение и выдает более низкое напряжение.
Одним из наиболее распространенных способов достижения такого типа регулирования является использование линейного стабилизатора напряжения.
Рисунок 1 – Схема линейного стабилизатора с фиксированным выходным напряжением
Как работает линейный стабилизатор напряжения?
Линейные стабилизаторы напряжения, также называемые LDO (low-dropout linear regulator) или линейными стабилизаторами с малым падением напряжения, используют транзистор, управляемый цепью отрицательной обратной связи, для создания заданного выходного напряжения, которое остается стабильным, несмотря на изменения тока нагрузки и входного напряжения.
Базовый линейный стабилизатор с фиксированным выходным напряжением представляет собой трехвыводное устройство, как показано на схеме выше. Некоторые линейные стабилизаторы позволяют регулировать выходное напряжение с помощью внешнего резистора.
Недостатки линейных регуляторов напряжения
Серьезным недостатком линейных стабилизаторов является их низкая эффективность во многих применениях. Транзистор внутри стабилизатора, который подключен между входном и выходным выводами, работает как переменное последовательное сопротивление; таким образом, высокая разность входного и выходного напряжений в сочетании с высоким током нагрузки приводят к значительному рассеиванию мощности. Ток, необходимый для работы внутренней схемы регулятора, обозначенный на схеме IGND, также способствует увеличению итогового рассеивания мощности.
Возможно, наиболее вероятный режим отказа в схемы линейного стабилизатора обусловлен еще и тепловыми, а не только электрическими факторами. Мощность, рассеиваемая микросхемой стабилизатора, приведет к повышению температуры компонентов, и без соответствующих путей, позволяющих отводить тепло от стабилизатора, температура в конечном итоге может стать достаточно высокой, чтобы серьезно ухудшить его рабочие характеристики или вызвать отключение при перегреве. Эта важная тема освещена в статье о тепловом проектировании для линейных стабилизаторов.
Применение линейных стабилизаторов напряжения
Хотя линейные стабилизаторы обычно уступают по эффективности импульсным стабилизаторам, они всё ещё широко используются по нескольким причинам. Основными преимуществами являются простота использования, низкий уровень шума на выходе и низкая стоимость. Единственными внешними компонентами, которые требуются большинству линейных стабилизаторов, являются входной и выходной конденсаторы, а требования к их емкости достаточно гибкие, чтобы сделать задачу проектирования очень простой.
Заключение
Данная статья предназначена для быстрого получения информации. Что нужно знать о линейных стабилизаторах напряжения? Дайте нам знать в комментариях ниже.
Что такое LDO регуляторы?
LDO регуляторы — тип линейных регуляторов напряжения, отличающихся малым падением напряжения на регулирующем элементе. Один из главных параметров — падение напряжения (dropout) VDROP, определяется как минимальное напряжение между входом и выходом стабилизатора, при котором схема стабилизации сохраняет работоспособность. В большинстве методик тестирования это напряжение измеряется при уменьшении входного напряжения VIN, когда напряжение на выходе VOUT снижается на 100 мВ относительно нормального режима работы схемы стабилизации (когда VIN = VOUT +5 В). В обычном регуляторе используется составной n-p-n транзистор, работающий в линейной области. В LDO регулирующим элементом является один p-n-p транзистор , поэтому минимальное падение напряжения на нем равно напряжению насыщения коллектор-эмиттерного перехода этого транзистора. В некоторых микросхемах LDO регуляторов используются полевые транзисторы . В любом случае напряжение VDROP зависит от тока нагрузки и температуры перехода (открытого канала). И меются несколько групп приборов в линейке LDO регуляторов , например, у National Semiconductor кроме стандартных регуляторов, pin-to-pin совместимых с серией 78хх и LM317, имеются несколько групп приборов, ориентированных на конкретные области применения.
Стабилизаторы отрицательного напряжения. Представлены двумя микросхемами LM2990 (фиксированные значения выходных напряжений: -5В; -5,2В; -12В;-15В), LM2991 (регулируемый -3…-24 В). Отличаются самым большим значением VDROP в семействе LDO регуляторов — около 0,6 В при наг рузке в 1 А.
Многоканальные. Двухканальные LM9072; LM9073; LP3986 LP2966 LP2967 LP2956, трехканальные, так называемые «Microprocessor Power Supply System (MPSS) LP2984 — оптимальное решение для схем питания микропроцессорных систем с током потребления до 600 мА. Все три канала имеют фиксированное напряжение 5В. Реализован канал питания микропроцессора — 500 мА, канал питания периферийных устройств — 100 мА и канал standby memory с током нагрузки 5 мА. Микросхема имеет вывод сброса микропроцессора. Пятиканальные «System Power Manager Regulator» — LP3927. Применяется в схемах питания переносных устройств. Реализованы два канала по 200 мА, два по 150 мА и один 100 мА.
С ультранизким падением напряжения VDROP. LP3881…83, LP3891…93, LP 2957, LP2980, LP3961…63. Применяются в многоканальных схемах питания, в случаях, когда необходим высокий КПД линейного регулятора, в устройствах с батарейным питанием. Наименьшее значение VDROP имеют микросхемы LP3881…83 — 110 мВ при токе нагрузки 1,5 А и 210 мВ при токе 3 А.
Прецизионные. Регуляторы с относительной погрешностью поддержания выходного напряжения 0,5 %. LP2980, LP2950AC, LP2951AC, LP2986A…87A, LP2952A…57A, LМ3411A.
Квази LDO (QLDO). LM1084, LM1085, LM1086, LM3480, LM3490, LM1117. Занимают промежуточное положение между классическими линейными регуляторами 78хх и LDO. Если в классическом линейном регуляторе используется составной n-p-n транзистор , то в QLDO — один n-p-n транзистор. Поэтому величина VDROP у QLDO меньше на величину падения напряжения открытого база-эмиттерного перехода и составляет около 1,2 В. Применяются для замены регуляторов серии 78хх.
С функциями контроля напряжений — LDO регуляторы, имеющие дополнительные выходы «Power Good» или «Delayed Reset» LMS5258, LP2986, LP3988, LP8358. Микросхемы с выводом «Power Good» отслеживают величину напряжения на выходе и при VOUT = (0,97-0,89)VOUT NOM на выходе «PG» с задержкой формируется сигнал логической единицы.
Контроллеры — микросхемы для реализации LDO — регуляторов с внешним биполярным или полевым транзистором. LM3411, LP2975, LM3460. Позволяют реализовать регуляторы напряжения с большими токами нагрузки.
Voltage Regulators For Your Electronics Projects
When getting into electronics I remember being very confused about how voltage worked. Sure, I had heard about it in class throughout secondary school; a 5V motor must be supplied with 5V right?
As soon as you start to get into bigger projects multiple voltage levels may be needed for different components. For example, you may have a microcontroller that runs on 3.3V and a Display that requires 5V to power it. Having different supplies for each component can quickly get expensive and large so there must be a better way…
This is where the world of voltage regulation comes in. This allows one supply voltage to be converted to the different voltages around your circuit that different components may require. Regulators come in two basic forms, switching and LDO which I will explain below!
Example block diagram highlighting regulation
LDO regulators
The most basic voltage regulator component is an LDO or low drop out regulator. Without getting into the depths of how it works on the inside, I find it useful to picture the LDO “burning” off excess voltage and converting the energy into heat. For example, a 3.3V LDO may take a voltage of 5V in and output a stable 3.3V out.
This burning off effect makes the LDO a good supply for noise sensitive devices such as camera sensors or displays due to the device producing a voltage with extremely low noise (ripples in output voltage)
The downside to the LDO is that the excess voltage is literally converted into heat, in effect completely wasting that energy making them inefficient (this effect will increase with a larger voltage drop)
How to implement:
The most common implementation of the LDO regulator is as follows. Vin and Vout are connected to the supply and output voltage rails in the circuit respectively. Ground is common and connected to the circuit ground. 0.1uF decoupling capacitors are placed on both input and output voltages to reduce any noise on the lines. Be aware that there is a “drop out voltage” meaning the component will not work properly if the input and output voltages are too close together. This can be found on the datasheet of the regulator that you select.
Simple LDO implementation
· Easy to implement.
· Can only step down voltage.
Switching Regulators
Switching regulators can both reduce (buck) or increase (boost) voltage levels. This works by rapidly switching an inductor in and out of the circuit. This switching results in very high efficiency voltage conversion with the downside of creating noise that is then present on the output voltage rail. This makes them very good at stepping down large gaps in voltage where an LDO would waste lots of energy (or blow up, that heat must go somewhere!)
The switching regulator also allows for voltages to be boosted or raised compared to the LDO that will only step down voltage. This makes them extremely useful in battery powered products that require higher voltage than the battery pack can provide.
To implement a switching regulator a few components are needed. Input and output capacitors for smoothing the input and output voltage from the regulator. An inductor with suitable saturation current (make this at least three times the load current) and usually a voltage divider circuit for feedback to the regulator IC. A great piece of software to begin designing switching regulator circuits is WEBENCH by Texas Instruments. This has saved me countless hours eliminating the need to size inductors etc…
Texas Instruments TPS563249 “buck regulator”
· Can step voltage up as well as down.
· More passives required
· Noise created on input and output voltage rails
If you’re interested how the boost converters work:
Voltage boosting is achieved by rapidly switching an inductor into the circuit and then to ground. When the inductor is subjected to the sudden change in voltage, it creates a large negative voltage spike which is then reproduced hundreds of thousands or even millions of times per second depending on the frequency of the ground switching. A capacitor is placed on the output of the device to charge up to part of this voltage spike and smooth the output of the switching regulator, in effect creating a higher output voltage.
Example SMD inductor (credit: image by nanoslavic copyright: nanoslavic)
Conclusion
Voltage regulators will be used in all of your circuit designs as an electronics engineer, hobbyist or maker. Understanding the particular needs of your circuit is key to selecting between the two types. If you have a noise sensitive rail or cost sensitive product you may wish to select LDOs. If you are more concerned about power consumption and efficiency you may wish to implement a switching regulator.
В этой статье объясняется принцип и разница между DC-DC и LDO.
Основная причина, по которой линейные регуляторы могут достигать этих характеристик, заключается в том, что внутренний проход Транзистор использует P-канальные полевые транзисторы, а не обычные PNP-транзисторы в линейных стабилизаторах. P-канальные полевые транзисторы не требуют управления базовым током, поэтому ток питания самого устройства значительно снижается. С другой стороны, в структуре с использованием PNP-транзистора, чтобы предотвратить переход PNP-транзистора в состояние насыщения и снижение выходной способности, большой вход-выход напряжение разница должна быть гарантирована. Разность напряжений P-канального полевого транзистора примерно равна произведению выходного тока на его сопротивление в открытом состоянии, а чрезвычайно малое сопротивление в открытом состоянии делает падение напряжения очень низким.
Я ДЕЛАЮ:
Линейные стабилизаторы с малым падением напряжения, поэтому название подразумевает линейные стабилизаторы, могут использоваться только в понижающих устройствах, то есть выходное напряжение должно быть меньше входного напряжения.
Достоинства: хорошая стабильность, быстрая реакция на нагрузку, малая пульсация на выходе.
Недостатки: Низкий КПД, разность напряжений между входом и выходом не должна быть слишком большой, а нагрузка не должна быть слишком большой. В настоящее время самый большой LDO — 5А, но есть много ограничений, чтобы обеспечить выход 5А.
постоянный/постоянный ток:
Постоянное напряжение преобразуется в постоянное напряжение. Строго говоря, LDO также является разновидностью DC/DC, но в настоящее время многопальцевый импульсный источник питания постоянного/постоянного тока имеет множество топологических структур, таких как buck, boost и так далее.
Преимущества: Высокий КПД, широкий диапазон входного напряжения.
Недостатки: Реакция на нагрузку хуже, чем у LDO, а пульсации на выходе больше, чем у LDO.
Итак, в чем разница между DC/DC и LDO?
DC/DC Преобразователь обычно состоит из микросхемы управления, полюсной катушки, диода, триода и конденсатора. Преобразователь постоянного тока в постоянный представляет собой преобразователь напряжения, который эффективно выдает фиксированное напряжение после преобразования входного напряжения. Преобразователи постоянного тока в постоянный делятся на три категории: повышающие преобразователи постоянного тока в постоянный, понижающие преобразователи постоянного тока в постоянный и повышающе-понижающие преобразователи постоянного тока в постоянный.
В зависимости от требований могут использоваться три типа элементов управления:
• ШИМ-управление имеет высокий КПД и хорошие пульсации и шумы выходного напряжения;
• Тип управления PFM имеет преимущество низкого энергопотребления, даже если он используется в течение длительного времени, особенно при небольшой нагрузке;
• Тип преобразования PWM/PFM Управление PFM осуществляется при малых нагрузках и автоматически переключается на управление PWM при больших нагрузках.
В настоящее время преобразователи постоянного тока широко используются в мобильных телефонах, MP3, цифровых камерах, портативных медиаплеерах и других продуктах.
Краткое описание принципа DC-DC
На самом деле, внутренняя часть заключается в том, чтобы сначала преобразовать источник питания постоянного тока в источник переменного тока, который обычно представляет собой самовозбуждающиеся колебания. схема, такой дискретный компоненты такие как катушки индуктивности требуются снаружи. Затем на выходе он фильтруется интегралом, а затем возвращается к источнику питания постоянного тока. Поскольку источник питания переменного тока генерируется, его можно легко повышать и понижать. Два преобразования неизбежно приведут к потерям, и это проблема повышения эффективности DC-DC, над изучением которой все усердно работают.
По сравнению
DCtoDC включает повышающие (повышающие), понижающие (понижающие), повышающие/понижающие (повышающие/понижающие) и инвертирующие структуры с высокой эффективностью, высоким выходным током, низким током покоя и т. д. С улучшением интеграция, многие Периферийная схема нового преобразователя постоянного тока нуждается только в Индуктор и конденсатор фильтра, но выходная пульсация и шум переключения этого типа контроллера мощности относительно высоки, а стоимость относительно высока.
Выдающимися преимуществами линейных стабилизаторов LDO с малым падением напряжения являются самая низкая стоимость, самый низкий уровень шума и самый низкий ток покоя. Он также имеет несколько периферийных компонентов, обычно только один или два байпаса. Конденсаторы. Новый LDO может достигать следующих показателей: выходной шум 30 мкВ, 60 дБ в секунду, ток покоя 6 мкА и падение напряжения 100 мВ.
Краткое описание принципа LDO
Основная причина, по которой линейные регуляторы могут достигать таких характеристик, заключается в том, что во внутреннем проходном транзисторе используются полевые транзисторы с P-каналом, а не обычные PNP-транзисторы в линейных регуляторах. P-канальные полевые транзисторы не требуют управления базовым током, поэтому ток питания самого устройства значительно снижается. С другой стороны, в структуре, использующей PNP-транзистор, чтобы предотвратить переход PNP-транзистора в состояние насыщения и снижение выходной мощности, должна быть гарантирована большая разница входного и выходного напряжения. Разность напряжений P-канального полевого транзистора примерно равна произведению выходного тока на его сопротивление в открытом состоянии, а чрезвычайно малое сопротивление в открытом состоянии делает падение напряжения очень низким.
Когда входное напряжение и выходное напряжение в системе близки, LDO является лучшим выбором и может обеспечить высокую эффективность. Поэтому LDO в основном используются в приложениях, которые преобразуют напряжение литий-ионной батареи в напряжение 3 В. Несмотря на то, что 10% конечной энергии разряда батареи не используется, LDO все же могут обеспечить длительный срок службы батареи в конструкции с низким уровнем шума.
Будь то портативный Электронный При питании устройства от сети переменного тока после выпрямления (или адаптера переменного тока) или от аккумуляторной батареи напряжение источника питания в процессе эксплуатации будет изменяться в широких пределах. Например, когда один литий-ионный аккумулятор полностью заряжен, напряжение составляет 4.2 В, а напряжение после разрядки составляет 2.3 В, что сильно варьируется.
На выходное напряжение различных выпрямителей влияет не только изменение напряжения сети, но и изменение нагрузки. Для обеспечения стабильности напряжения питания практически все электронные устройства питаются от стабилизатора напряжения. Небольшое и точное электронное оборудование также требует очень чистого источника питания, без пульсаций и шумов, чтобы не влиять на нормальную работу электронного оборудования. Чтобы соответствовать требованиям прецизионного электронного оборудования, на входе источника питания должен быть добавлен линейный регулятор, чтобы обеспечить постоянное напряжение питания и добиться активной фильтрации помех.
01 Основной принцип LDO
Базовая схема линейного регулятора с малым падением напряжения (LDO) показана на рис. 1-1. Схема состоит из последовательного стабилизатора VT (транзистор PNP, Примечание: в практических приложениях здесь обычно используются полевые транзисторы P-канала), выборочных резисторов R1 и R2 и усилителя-компаратора А.
Рисунок 1-1 Принципиальная схема линейного регулятора с малым падением напряжения
Напряжение выборки Uin добавляется к неинвертирующему входу компаратора A и сравнивается с опорным напряжением Uref (Uout*R2/(R1+R2)), добавляемым к инвертирующему входу. После того, как разница между ними будет усилена усилителем A, Uout = (U+-U-)*ANote A
Я ДЕЛАЮ:
Линейные стабилизаторы с малым падением напряжения, поэтому название подразумевает линейные стабилизаторы, могут использоваться только в понижающих устройствах, то есть выходное напряжение должно быть меньше входного напряжения.
Достоинства: хорошая стабильность, быстрая реакция на нагрузку, малая пульсация на выходе.
Недостатки: Низкий КПД, разность напряжений между входом и выходом не должна быть слишком большой, а нагрузка не должна быть слишком большой. В настоящее время самый большой LDO — 5А, но есть много ограничений, чтобы обеспечить выход 5А.
постоянный/постоянный ток:
Постоянное напряжение преобразуется в постоянное напряжение. Строго говоря, LDO также является разновидностью DC/DC, но в настоящее время многопальцевый импульсный источник питания постоянного/постоянного тока имеет множество топологических структур, таких как buck, boost и так далее.
Преимущества: Высокий КПД, широкий диапазон входного напряжения.
Недостатки: Реакция на нагрузку хуже, чем у LDO, а пульсации на выходе больше, чем у LDO.
Итак, в чем разница между DC/DC и LDO?
Преобразователь постоянного тока в постоянный обычно состоит из микросхемы управления, полюсной катушки, диода, триода и конденсатора. Преобразователь постоянного тока в постоянный представляет собой преобразователь напряжения, который эффективно выдает фиксированное напряжение после преобразования входного напряжения. Преобразователи постоянного тока в постоянный делятся на три категории: повышающие преобразователи постоянного тока в постоянный, понижающие преобразователи постоянного тока в постоянный и повышающе-понижающие преобразователи постоянного тока в постоянный.
В зависимости от требований могут использоваться три типа элементов управления:
• ШИМ-управление имеет высокий КПД и хорошие пульсации и шумы выходного напряжения;
• Тип управления PFM имеет преимущество низкого энергопотребления, даже если он используется в течение длительного времени, особенно при небольшой нагрузке;
• Тип преобразования PWM/PFM Управление PFM осуществляется при малых нагрузках и автоматически переключается на управление PWM при больших нагрузках.
В настоящее время преобразователи постоянного тока широко используются в мобильных телефонах, MP3, цифровых камерах, портативных медиаплеерах и других продуктах.
Краткое описание принципа DC-DC
Фактически, внутренняя часть должна сначала преобразовать источник питания постоянного тока в источник переменного тока, который обычно представляет собой колебательный контур с автовозбуждением, поэтому снаружи требуются дискретные компоненты, такие как катушки индуктивности. Затем на выходе он фильтруется интегралом, а затем возвращается к источнику питания постоянного тока. Поскольку источник питания переменного тока генерируется, его можно легко повышать и понижать. Два преобразования неизбежно приведут к потерям, и это проблема повышения эффективности DC-DC, над изучением которой все усердно работают.
По сравнению
DCtoDC включает повышающие (повышающие), понижающие (понижающие), повышающие/понижающие (повышающие/понижающие) и инвертирующие структуры с высокой эффективностью, высоким выходным током, низким током покоя и т. д. С улучшением интеграция, многие Периферийная схема нового преобразователя постоянного тока нуждается только в Индуктор и конденсатор фильтра, но выходная пульсация и шум переключения этого типа контроллера мощности относительно высоки, а стоимость относительно высока.
Выдающимися преимуществами линейных стабилизаторов LDO с малым падением напряжения являются самая низкая стоимость, самый низкий уровень шума и самый низкий ток покоя. Он также имеет несколько периферийных компонентов, обычно только один или два обходных конденсатора. Новый LDO может достигать следующих показателей: выходной шум 30 мкВ, 60 дБ в секунду, ток покоя 6 мкА и падение напряжения 100 мВ.
Краткое описание принципа LDO
Основная причина, по которой линейные регуляторы могут достигать таких характеристик, заключается в том, что во внутреннем проходном транзисторе используются полевые транзисторы с P-каналом, а не обычные PNP-транзисторы в линейных регуляторах. P-канальные полевые транзисторы не требуют управления базовым током, поэтому ток питания самого устройства значительно снижается. С другой стороны, в структуре, использующей PNP-транзистор, чтобы предотвратить переход PNP-транзистора в состояние насыщения и снижение выходной мощности, должна быть гарантирована большая разница входного и выходного напряжения. Разность напряжений P-канального полевого транзистора примерно равна произведению выходного тока на его сопротивление в открытом состоянии, а чрезвычайно малое сопротивление в открытом состоянии делает падение напряжения очень низким.
Когда входное напряжение и выходное напряжение в системе близки, LDO является лучшим выбором и может обеспечить высокую эффективность. Поэтому LDO в основном используются в приложениях, которые преобразуют напряжение литий-ионной батареи в напряжение 3 В. Несмотря на то, что 10% конечной энергии разряда батареи не используется, LDO все же могут обеспечить длительный срок службы батареи в конструкции с низким уровнем шума.
Независимо от того, питается ли портативное электронное устройство от сети переменного тока после выпрямления (или адаптера переменного тока) или от аккумуляторной батареи, напряжение источника питания будет варьироваться в широком диапазоне во время работы. Например, когда один литий-ионный аккумулятор полностью заряжен, напряжение составляет 4.2 В, а напряжение после разрядки составляет 2.3 В, что сильно варьируется.
На выходное напряжение различных выпрямителей влияет не только изменение напряжения сети, но и изменение нагрузки. Для обеспечения стабильности напряжения питания практически все электронные устройства питаются от стабилизатора напряжения. Небольшое и точное электронное оборудование также требует очень чистого источника питания, без пульсаций и шумов, чтобы не влиять на нормальную работу электронного оборудования. Чтобы соответствовать требованиям прецизионного электронного оборудования, на входе источника питания должен быть добавлен линейный регулятор, чтобы обеспечить постоянное напряжение питания и добиться активной фильтрации помех.
01 Основной принцип LDO
Базовая схема линейного регулятора с малым падением напряжения (LDO) показана на рис. 1-1. Схема состоит из последовательного стабилизатора VT (транзистор PNP, Примечание: в практических приложениях здесь обычно используются полевые транзисторы P-канала), выборочных резисторов R1 и R2 и усилителя-компаратора А.
Рисунок 1-1 Принципиальная схема линейного регулятора с малым падением напряжения
Напряжение выборки Uin добавляется к неинвертирующему входу компаратора A и сравнивается с опорным напряжением Uref (Uout*R2/(R1+R2)), добавляемым к инвертирующему входу. После того, как разница между ними будет усилена усилителем A, Uout = (U+-U-)*ANote A